地震波真反射层析成像超前预报布置参数优化

地震波真反射层析成像超前预报布置参数优化刘勇锋，马海涛(中国安全生产科学研究院，北京100012)摘要：本文利用地震波真反射层析成像技术对西石门铁矿深部开拓工程进行了超前预报，分析了各种不利因素引起的地震波振幅变化对井巷地质超前预报效果带来的影响，对TRT地质超前预报系统布置参数进行了改进与创新研究，得出了震源、最小偏移距和炮间距最优参数，防止了重大突水事故的发生，为西石门铁矿后期进行的开拓工程提供了可靠的依据。关键词：地震波超前预报布置参数优化OptimizationofPredictionLayoutParametersofRealSeismic

TomographyImagingLIUYong-feng,MAHai-tao(ChinaAcademyofSafetyScience&TechnologyBeijing100012)Abstract：Byrealseismictomographyimagingtechnique,predictionismadeforthedeepmineengineeringofXishimenIronMine.theinfluenceofseismicwaveamplitudevariationonpredictionaccuracyoftunnelgeologywasinvestigated.ImprovementandinnovationresearchonthelayoutparametersofTRTsystemisperformed.Theoptimalparametersofseismicfocus,minimalrowspacingandshotintervalareobtained.Theresearchprovidesreliablebasisforpreventionofmajorwaterinrush,andtheminedevelopmentoftheironmine.Keywords：seismicwave,prediction,layoutparameters,optimization中图分类号：X936文献标识码：A1引言西石门铁矿矿区由于采矿历史较长，矿区长期遭受周围民采矿井的非法盗采。民采矿井掠夺式的无规划、无设计私采滥挖，遗留下了大量不明采空区。这些采空区形成之后，在有水源补给的情况下，长年累月逐渐汇集，使采空区大量积水，对矿山的安全生产形成了严重威胁。针对西石门铁矿深部开拓工程进行超前预报成为矿山后期生产稳定的关键。地震反射波超前预报技术，利用地震反射波超前预报隧道、井巷掘进面前方不明地质体，其地球物理前提（条件）是介质的弹性差异和地震波（弹性波）的传播。隧道、井巷环境下，尤其是存在地质灾害时，介质的弹性存在差异（速度和密度差异），尤其是掘进面前方不良地质体的反射地震波传播提供了良好的物理条件和波场基础。由于实际地层并非一种理想的完全弹性介质，地震波在传播过程中部分能量被吸收、耗散，其明显特征是高频成分随距离的增加而衰减。引起地震波振幅变化的因素也较多，主要包括：波前球面扩散、大地吸收、透射损失、散射和震源一一接收器的方向性等，地震波的这些传播特征为我们进行隧道、井巷地质超前探测带来了不利因素，使接收到的波场复杂化，这就为数据处理增加了难度。所以进行布置参数优化的研究，具有重要的现实意义。2TRT地震波超前预报系统本次采用的TRT6000型隧道地质超前预报系统通过地震扫描成像技术，获得隧道前方的全息图，代表国际上隧道超前预报领域最领先的水平。经复杂介质传播的记录地震信号是由折射、反射、散射、弥散等多类波形所组成，扫描成像是常用的利用信号波形变化来估计介质性质变化的位置和范围的反演技术。2.1工作原理TRT系统的原理在于当弹性波遇到声学阻抗差异（即岩石波阻抗，为岩石密度和纵波波速的乘积）界面时，一部分信号被反射回来，一部分信号透射进入前方介质。声学阻抗的变化通常发生在地质岩层界面或岩体内不连续界面。反射的地震信号被高灵敏地震信号传感器接收，通过分析，被用来了解隧道工作面前方地质体的性质（软弱带、破碎带、断层、含水等），位置及规模。正常入射到边界的反射系数计算公式如下：pV-pV^2^-1p2V2+pV假设R：反射系数，pl、p2:岩层的密度，VI、V2：地震波在岩层中的传播速度。地震波从一种低阻抗物质传播到一个高阻抗物质时，反射系数是正的；反之，反射系数是负的。因此，当地震波从软性地质体传播到硬质地质体时，回波的偏转极性和波源是一致的。当岩体内部有破裂带时，回波的极性会反转。反射体的尺寸越大，声学阻抗差别越大，反射波就越明显，越容易被探测到。这是一种全新的勘察技术，将电子信号学中的电阻抗概念引入地震勘探中，采用反射物质阻抗探测地质体异常。TRT6000层析扫描超前预报系统用地震波反射来获得地层地质状况三维图的概念。以每个震源和地震信号传感器组的位置为焦点，与所有可能产生回波的反射体可以确定一个椭球。足够多数量的震源和地震信号传感器组对会形成一个三维数组，每个界面/反射的地层位置可以由这些众多椭球的交汇区域所确定。实际上，反射边界每一点离散图像的计算包括由所有震源和地震信号传感器组所对应的三维岩体空间中选定的区块。离散图像中各点值是由空间叠加所有地震波形计算得来，每个波按比例地从震源经过三维岩体空间的区块到达地震信号传感器。在室内进行数据处理与解释，得到物探成果。TRT系统的传感器采集数据原理如下图1所示。1SourceReflectorCombineddistancetoreflectorforpairsource1SourceReflectorCombineddistancetoreflectorforpairsource-receiverdefinesanellipsoidSensor2图1TRT系统的探测原理震源点与传感器点原则上按照以下布置方法分布传感器与震源点，最高与最低位置传感器的差值必须大于2.5m，这样才能有效的接收三维地震波数据。震源与传感器点代号分布如下图2、3所示。X：震源点・ai：传感器（无线）图2TRT系统震源和检波器布置图3主要布置参数（1）震源在隧道地震勘探中，为了采集到所需要的地震波信息，可选用各种不同的震源。目前地震勘探中常见的震源有爆炸、锤击震源、气枪震源、电火花等震源形式，不论采用何种震源，均要求震源具有：震源激发的震源子波应该具有高度的一致性；震源应该具有一定的能量；震源所激发的频谱应该尽量宽。对于不同的岩性，能量的衰减的也有所不同，在完整性良好的岩石中波速传播快能量衰减小，勘探深度较大，而在强风化岩石及沙土层中波速传播慢能量衰减大，勘探深度有限。（2）最小偏移距最小偏移距（指的是检波点到最近震源的距离）的设计不同于地面地震勘探，即要接收到P波（纵波）也要接收到S波（横波）。因此，在纵波有效接收的基础上，要激发接收能量足够强的、具有一定分辨能力的转换横波，而转换横波的产生只有当P波为非法线入射时，且只有当入射角大于一定角度时，才有足够强的转换横波产生，这就是所谓的横波时窗。偏移距是一个比较重要的参数，如果参数选择合适了，可以尽量减少引入其他干扰信号（如面波、声波、震源干扰等），如果参数选择太小，容易受到震源干扰，另外会使面波等一些干扰信号比较发育；如果参数选择太大，会削弱反射波能量，从而影响数据质量。使用中，需结合实际情况开展测试。（3）炮间距选择炮间距应以在地震记录上能可靠地辨认同一有效波的相同相位为原则。能否可靠辨认同一相位，主要决定于地震相邻震源所产生的有效波到达检波器的时间差△t，所记录有效波的视周期及其它波对有效波的干扰程度。如果有效波在地层记录上的视周期为T，那末炮间距Ax选择的基本原则应使时间△「小于视周期T的一半。这样便能可靠地辨认有效波的相同相位。反之，如果^t>T/2，则有可能造成相位对比错误，即有可能把不同的相位错认了。考虑地震有效波视速度，通常把炮间距最大限度定为：Ax=1VT*max2a其中，^Xma是最大炮间距，Va为波速度，T为视周期。因此，在勘探中对炮间距的选择应该满足以上要求，抑制空间假频的出现，炮间距选择越小越好。在实际勘探中，炮间距也是一个比较重要的参数，由于巷道的特殊环境限定，如果参数选择太小，会增大误差，遗漏一些信息；如果参数选择太大，除会影响接收能量外，还会产生空间假频，需要结合矿山开采、岩石性质等具体情况加以确定。在实际勘探中，炮距一般选择为1m〜2m。4布置参数优化4.1震源能量TRT采用锤击震源，一般来讲，锤击震源能达到勘探深度100m左右，在围岩条件较好的情况下最大能达到200m，对于井下地质超前预报的距离是十分合适的。8.16kg5.44kg4.54kg2.72kg图3不同重量锤击震源地震波振幅谱如图所示，分别采用8.16kg、5.44kg、4.54kg、2.72kg大锤激发震源，得到不同重量锤击震源的地震波振幅谱，8.16kg铁锤的激发能量在这4种重量的锤击震源中是最强的，但它激发的信号谱峰值和反射波窗口内的高低频能量的均一性却比其它3种锤的激发效果差，且高频成分也衰减较快。这是由于大锤重量过大后，一部分围岩被砸碎或变形，锤击能量被岩石吸收造成的。当减小大锤重量时，激发能量随之降低，而地震信号的频率则向高频端移动。因此，选取5.44kg大锤敲击完整岩壁激发震源。4.2固定震源的最小偏移距（南区23冶）南区23冶TRT测试共做两次，震源点不变，检波器点位置分别距离震源（最小偏移距）10m和20m，对比探测结果。图4南区23冶工程位置图为明显。4.3固定检波器的最小偏移距（南区0平8#穿9#探矿巷）南区0m水平8#穿9#探矿巷前方有已经揭露的民采空区巷道，共做两次，检波器点位置不变，震源点分别距离检波器点（最小偏移距）10m和20m。图5震源点距离检波器点10m时俯视图图9南区0平8#穿9#探矿巷工程位置图图6震源点距离检波器点10m时正视图图10震源点距离检波器点10m时俯视图图7震源点距离检波器点20m时俯视图图11震源点距离检波器点10m时正视图图8震源点距离检波器点20m时正视图48m采空或巷道图12图12震源点距离检波器点20m时俯视图主要异常区域为掌子面前方30m（图中每一方格间距为10m），主要为破碎带或节理裂隙带。检波器离震源越远，反射信号越小。在检波器距离震源较远的情况下，前方地质体反射波显现较为杂乱、无序，负反射信号更图13震源点距离检波器点20m时正视图异常区域掌子面前方30m，其中掌子面前方48m，中心线右方低阻抗明显。可能为破碎带或节理裂隙带，掌子面前方50m，中心线右方低阻抗明显，可能含水量较大，与实际存在的大范围民采空区较为符合。震源点距离检波器较远，距离掌子面较近，可以很好的滤除直达波和其它杂波信号干扰，对于探测软弱带、空区等负反射信号体具有较好的效果。图17震源点距离检波器点17m，炮间距2m

时俯视图4.4固定检波器的炮间距（南区0平28线探矿巷）图18震源点距离检波器点17m，炮间距2m

时正视图南区0平28线探矿巷共做两次，钻探揭露前方30m处存在空区，具体形态未知。试验测试时检波器点位置不变，震源点分别距离检波器点（最小偏移距）11m和17m，炮间距（震源排距）分别为2m和0.5m。从图中可以得出两次结果都是异常区域为掌子面前方30m处右上方，与钻探采空区位置基本对应，但是炮间距为2m的数据质量更好，显示效果更好。5结论本文通过TRT6000对西石门铁矿开拓区域进行地质超前预报，并总结了在西石门图14南区0平28线探矿巷工程位置图图15震源点距离检波器点11m，炮间距0.5m时俯视图开展地质超前预报的经验和规律，提出了检波器和震源布置优化方法和减小误差方法，主要为：（1）不同布置方式探测的异常区域定位基本一致，但分辨率和成像效果有一定差异，直接影响异常解释效果。（2）震源宜选择5-6公斤大锤夯击坚实、完整的岩壁。（3）震源应尽可能接近掌子面，前方有较长留空巷道时，岩层反射波会在巷道周围发生绕射，影响探测结果。（4）最小偏移距在15.0~20.0m之间为宜。震源点距离传感器近，由于直达波能量较大，反射信号强，对低阻抗信号有压制作图16震源点距离检波器点11m,炮间距0.5m时正视图用，保持一定间距后，低阻抗效果明显。由于探测采空区、软弱带等不良地质构造，更多关注低阻抗异常，因此，震源与检波器保持15-20m之间。（5）炮间距在2m左右，数据质量更高。参考文献：刘杰，廖春木.TRT技术在隧道地质超前预报中的应用[J].铁道建筑，2011,4：77~79LIUJie，LIAOChun-mu.heapplicationforTRTtechnologyintunnelgeologicaladvancedprediction[J].RailwayEngineering，2011，4：77~79利奕年，王国斌.TRT隧道地质超前预报系统的改进与优化[A].自主创新与持续增长第十一届中国科协年会论文集[C].重庆：中国科学技术协会学会学术部，2009.LIYi-nian，WANGGuo-bin.TRTTunnelGeologicalPredictionSystemImprovementandOptimization[A].IndependentinnovationandsustainablegrowthofChinaassociationofthe11thannualconferenceproceedings[C].ChongQing:ChinaAssociationforscienceandtechnologyacademicdepartment，2009.刘勇锋，马海涛，付士根.综合物探技术在老空区水害防治中的应用[J].中国安全生产科学技术，2011，6(6)：103〜107LIUYong-feng，MAHai-tao，FUShi-genApplicationofcomprehensivegeophysicalexplorationtechnologyinpreventionandcontrolofgoafwaterdisaster[J].JournalofSafetyScienceandTechnology，2011，6(6)：103~107闫高翔.TRT层析扫描成像预报系统的应用[J].铁道勘察，2009，2：40~43YANGao-xiang.ApplicationofForecastingSystemthroughTRTTomography[J].RailwaySurvey，2009，2：40~43雍凤军.确定最佳地震采集参数的试验方法[J].石油物探，1996，35(2)：96~100YONGFeng-jun.Theoptimumseismicacquisitionparametersoftestmethod[J].PetroleumExplorationandDevelopment，1996，35(2)：96~100王卫华.纵波勘探中的炸药激发方式分析[J].石油地球物理勘探，1999,34(3)：249〜252.WANGWei-hua.Analysisoflongitudinalwaveexplor